新集二礦煤層突出危險性區(qū)域劃分研究

代 衛(wèi)，張雷林，申宏敏

（1．國投新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232172；2．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

·試驗研究·

新集二礦煤層突出危險性區(qū)域劃分研究

代 衛(wèi)1，張雷林2，申宏敏2

（1．國投新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232172；2．中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

通過對新集二礦6#、13#煤層瓦斯壓力的測定，分析了煤層瓦斯壓力的分布規(guī)律，根據(jù)瓦斯壓力的分布規(guī)律，劃分出新集二礦6#和13#煤層各自在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)的突出危險區(qū)和無突出危險區(qū)。并結(jié)合煤的破壞類型、瓦斯散放初速度和煤的堅固性系數(shù)三項指標(biāo)，驗證了突出危險區(qū)的劃分效果，結(jié)果顯示，單項指標(biāo)與瓦斯壓力的分布規(guī)律相符合。

瓦斯壓力；突出危險區(qū)；區(qū)域劃分；單項指標(biāo)

煤與瓦斯突出是煤礦井下采掘過程中發(fā)生的一種極其復(fù)雜的動力現(xiàn)象，是地應(yīng)力、瓦斯、煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)國內(nèi)外開采突出煤層的實踐證明，突出煤層并非處處都有突出危險，突出只發(fā)生在突出煤層中的局部地帶，其突出危險帶的面積還不到突出煤層面積的10%～20%，而且突出危險帶的分布也很不均勻，有的相距較近，有的相隔很遠(yuǎn)［1，2］。區(qū)域預(yù)測的目的就是事先找出這些區(qū)域，為煤礦以后的開采生產(chǎn)提供依據(jù)。

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出煤層區(qū)域性預(yù)測一般根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的方法進行，其最基本的指標(biāo)為瓦斯壓力，在沒有或缺少瓦斯壓力的情況下可根據(jù)瓦斯含量預(yù)測。國投新集能源公司新集二礦通過首先確定其井田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景，然后采用測定井下瓦斯壓力并分析其分布規(guī)律，結(jié)合“四指標(biāo)法”（煤層瓦斯壓力、煤的堅固性系數(shù)、瓦斯放散初速度、煤的破壞類型）來劃分煤礦突出危險區(qū)和無突出危險區(qū)。

1 礦井概況

新集二礦位于淮南市鳳臺縣城西約12 km，東毗新集三礦，西鄰新集一礦。井田范圍：西起1號勘探線，東止013勘探線；南自1煤層與阜鳳逆沖斷層或其下夾片斷層（局部為壽縣老人倉斷層）的交面線，北至13-1煤層底板-1 000 m高程的垂直投影線，東西走向最長約6 km，南北傾向最寬約5 km，面積約22 km2。規(guī)劃煤炭地質(zhì)儲量5．33億t，可采儲量1．932億t。礦井于1993年7月開工建設(shè)，1996年10月投產(chǎn)。設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/年，改擴建后設(shè)計生產(chǎn)能力300萬t/年；2007年，經(jīng)淮南局核定、安徽省批準(zhǔn)，礦井核定生產(chǎn)能力為290萬t/年。礦井配套有設(shè)計年入洗能力400萬t原煤選煤廠。在地質(zhì)上，新集二礦位于淮南復(fù)向斜謝橋向斜南翼，潁鳳區(qū)阜鳳推覆構(gòu)造中段，構(gòu)造線方向近東西。根據(jù)陸地和水面地震勘探資料反映，由于受南北主構(gòu)造應(yīng)力的影響和控制，次一級褶皺構(gòu)造、中小斷層及小褶曲較為發(fā)育。2012年礦井絕對瓦斯涌出量為39．01 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為9．84 m3/t，經(jīng)安徽省經(jīng)濟和信息化委員會批復(fù)新集二礦為突出礦井。

2 瓦斯壓力的測定及其規(guī)律的分析

煤層瓦斯壓力是煤層瓦斯流動和涌出的最基本參數(shù)，也是煤層發(fā)動突出的動力之一。因此，要準(zhǔn)確地對煤層的突出危險性進行區(qū)域劃分，必須測定各點的煤層瓦斯壓力，并由此研究煤層的瓦斯壓力分布規(guī)律。

2．1 瓦斯壓力的測定

煤層瓦斯壓力的測定是煤礦進行區(qū)域防突危險性預(yù)測的主要方法之一。為了對標(biāo)高在-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤的突出危險區(qū)域進行劃分，在6#煤選取了6個點作為區(qū)域劃分的測壓地點；13#煤由于條件所限，選取4個測點。每個測點均布置2個測壓孔。通過對各測點進行瓦斯壓力測定后，拋棄明顯存在誤差的點后，-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤瓦斯壓力測定結(jié)果見表1。

表1 6#煤、13#煤瓦斯壓力測定地點布置及測定結(jié)果表

2．2 瓦斯壓力分布規(guī)律的研究

國內(nèi)外對煤層瓦斯壓力大量的測定結(jié)果表明，在甲烷帶內(nèi)，煤層的瓦斯壓力隨深度的增加而增加，多數(shù)煤層呈線性增加，瓦斯壓力梯度因地質(zhì)條件而異，在地質(zhì)條件相近的塊段內(nèi)相同深度的同一煤層具有大體相同的瓦斯壓力，如此，可以按下式預(yù)測深部煤層的瓦斯壓力：

式中：

P—甲烷帶內(nèi)深度為H（m）處煤層相對瓦斯壓力，MPa；

P1—甲烷帶內(nèi)深度為H1（m）已知的煤層相對瓦斯壓力，MPa；

c—瓦斯壓力梯度，MPa/m，一般變化范圍為0．01 ±0．005。

通過在井田范圍內(nèi)煤層傾向上選取具有代表性的地點，記錄下標(biāo)高、經(jīng)緯坐標(biāo)等參數(shù)并對其進行瓦斯壓力的測定，進而求得礦井的瓦斯壓力梯度。同樣的方法，對煤層相同標(biāo)高走向上多個地點進行瓦斯壓力測定，也能夠得到瓦斯壓力在走向上的變化規(guī)律［3-5］。

1）6#煤、13#煤層傾向上瓦斯壓力分布規(guī)律。

式中：θ為日角，θ=2πt0-365.2422，其中t0=N-1，N為積日，即日期在年內(nèi)的順序號(1月1日為1，以此類推，12月31日為365(非潤年))，經(jīng)查證該小區(qū)某年冬至為12月22日，N為356。

根據(jù)測壓點的位置X標(biāo)高及煤層瓦斯壓力進行擬合，得到6#煤和13#煤瓦斯壓力與X標(biāo)高之間的關(guān)系見圖1，2。

圖1 -600～-550 m范圍內(nèi)6#煤傾向瓦斯分布規(guī)律圖

圖2 -600～-550 m范圍內(nèi)13#煤傾向瓦斯分布規(guī)律圖

根據(jù)測定的結(jié)果，可以得到6#煤在傾向上的瓦斯壓力變化規(guī)律，6#煤瓦斯壓力分布和標(biāo)高存在以下關(guān)系：

由擬合曲線及瓦斯賦存規(guī)律可得在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)傾向上6#煤瓦斯壓力分布規(guī)律為：隨標(biāo)高降低，滿足每降低10 m，瓦斯壓力上升0．094 MPa，即增加速率為0．094 MPa/10 m。計算可得，6#煤標(biāo)高在-564 m處瓦斯壓力為0．74 MPa，即僅按照標(biāo)高劃分突出危險時，6#煤層在-550～-564 m標(biāo)高為無突出危險區(qū)，在-564～-600 m標(biāo)高為突出危險區(qū)。

根據(jù)測定的結(jié)果，可以得到13#煤在傾向上的瓦斯壓力變化規(guī)律，13#煤瓦斯壓力分布和標(biāo)高存在以下關(guān)系：

由擬合曲線及瓦斯賦存規(guī)律可得在標(biāo)高-600～-550 m范圍內(nèi)傾向上13#煤瓦斯壓力分布規(guī)律為：隨標(biāo)高降低，滿足每降低10 m，瓦斯壓力上升0．021 MPa，即增加速率為0．021 MPa/10 m。計算可得，13#煤標(biāo)高在-550 m處瓦斯壓力已超過0．74 MPa，即僅按照標(biāo)高劃分突出危險時，13#煤層在-550～-600 m標(biāo)高范圍內(nèi)均為突出危險區(qū)。

2）6#煤、13#煤層走向上瓦斯壓力分布規(guī)律。

根據(jù)測壓點的位置X坐標(biāo)及煤層瓦斯壓力進行擬合，得到6#煤、13#煤瓦斯壓力與X坐標(biāo)之間的關(guān)系見圖3，4。

圖3 -600～-550 m范圍內(nèi)6#煤走向瓦斯分布規(guī)律圖

圖4 -600～-550 m范圍內(nèi)13#煤走向瓦斯分布規(guī)律圖

根據(jù)圖3可得，6#煤走向上的瓦斯壓力變化規(guī)律為：瓦斯壓力分布和X坐標(biāo)差值存在以下關(guān)系：

根據(jù)圖4可以得到，13#煤走向上的瓦斯壓力變化規(guī)律為：瓦斯壓力分布和X坐標(biāo)存在以下關(guān)系：

13#煤在X坐標(biāo)39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)，走向上瓦斯壓力分布規(guī)律為：滿足X坐標(biāo)增大100 m，瓦斯壓力上升0．018 MPa，即上升速率為0．018 MPa/100 m。由圖4可得，13#煤層在走向上X坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)瓦斯壓力均大于0．74 MPa，故如果僅按照走向劃分13#煤層在突出危險時，X坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)均為突出危險區(qū)。

3 單項指標(biāo)分析法

在進行煤層突出危險性區(qū)域預(yù)測時若單獨采用瓦斯壓力法，可能會造成誤判，尤其是在煤層堅固性系數(shù)較大、瓦斯放散初速度較小且地質(zhì)構(gòu)造相對簡單的區(qū)域，對這些區(qū)域進行預(yù)測時應(yīng)參考煤層突出危險性鑒定單項指標(biāo)或其它經(jīng)驗證有效的指標(biāo)。單項指標(biāo)分析法雖然是對突出煤層進行突出危險性鑒定的方法及指標(biāo)，并不是對突出煤層進行突出危險性區(qū)域預(yù)測的方法，但是相對于采用瓦斯壓力或瓦斯含量進行突出危險性區(qū)域預(yù)測而言，其充分考慮了區(qū)域內(nèi)煤層受地應(yīng)力、構(gòu)造破壞等因素的影響，并且對其影響提出了具體的量化指標(biāo)，包括瓦斯指標(biāo)、煤層性質(zhì)指標(biāo)、地應(yīng)力指標(biāo)和綜合指標(biāo)。因此，預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠［6，7］。突出煤層鑒定的單項指標(biāo)臨界值見表2。

表2 突出煤層鑒定的單項指標(biāo)臨界值表

只有當(dāng)4個指標(biāo)全部達(dá)到或超過臨界值時，才能確定為突出煤層。但是突出危險性區(qū)域預(yù)測畢竟不是突出危險性鑒定，因此，采用單項標(biāo)法進行突出危險性區(qū)域預(yù)測時其臨界值的大小需要進行考察確定。對于新集二礦6#、13#煤層而言，未對臨界值考察，因此，參考突出煤層鑒定的臨界值。

實測新集二礦6#煤層和13#煤層的4個單項指標(biāo)，其結(jié)果見表3。

表3 6#煤層、13#煤層的四個單項指標(biāo)結(jié)果表

通過對比表2和表3可知，在所有測定的單項指標(biāo)中，煤的破壞類型均超過了臨界值；瓦斯放散初速度均未超過臨界值；除了西6煤新集運巷SB3點2#孔處測點的f大于臨界值外，其余點的f值均小于臨界值；只有6#煤-587 m中部車場處和西6煤新集運巷SB3點2#孔的相對瓦斯壓力小于臨界值，其余的煤層瓦斯壓力均大于臨界值。因此，從單項指標(biāo)并不能判定在-600～-550 m范圍內(nèi)6#、13#煤為突出危險區(qū)域。但結(jié)合單項指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域煤的破壞類型、煤的堅固性系數(shù)、相對瓦斯壓力均已超過臨界值，而這些區(qū)域與通過瓦斯壓力分布規(guī)律劃分出的突出危險區(qū)域相吻合。

所以，各單項指標(biāo)為劃分突出危險區(qū)域和無突出危險區(qū)域提供了可靠的參考依據(jù)，使得預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

結(jié)合走向和傾向瓦斯分布規(guī)律，對新集二礦標(biāo)高在-600～-550 m范圍內(nèi)6#煤、13#煤的突出危險性做出如下劃分：

1）該礦6#煤層X坐標(biāo)在39 459 200～39 461 520 m范圍內(nèi)，標(biāo)高在-564～-550 m范圍內(nèi)為無突出危險區(qū)；X坐標(biāo)在39 461 520～39 464 600范圍內(nèi)，標(biāo)高在-600～-564 m區(qū)域為突出危險區(qū)。

2）該礦13#煤層X坐標(biāo)在39 462 000～39 463 200 m范圍內(nèi)，標(biāo)高在-600～-550 m區(qū)域均為突出危險區(qū)。

3）采用單項指標(biāo)法對該礦6#、13#煤層突出危險性區(qū)域劃分結(jié)果進行了驗證。結(jié)果顯示，單項指標(biāo)法與瓦斯壓力劃分的突出危險區(qū)域結(jié)果一致。

［1］石銀斌．汝箕溝煤礦煤與瓦斯突出危險性區(qū)域劃分技術(shù)［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2010（37）：71-72．

［2］孫 波，杜澤生，李振信，等．煤與瓦斯突出區(qū)域多因素綜合預(yù)測方法［J］．煤礦安全，2008（10）：39-41．

［3］柴永興，王海峰．煤與瓦斯突出危險區(qū)域劃分研究［J］．煤炭技術(shù)，2006，25（6）：81-83．

［4］姚 飛，劉高峰．天池煤礦15煤層突出危險性區(qū)域劃分研究［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：193-195．

［5］焦殿志．皖北礦區(qū)五溝礦煤與瓦斯突出危險區(qū)域劃分［J］．煤礦安全，2011，42（5）：126-128．

［6］陳立偉，陳進朝．黃巖匯煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律及區(qū)域預(yù)測［J］．河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，31（4）：376-381．

［7］孫和應(yīng)，常松嶺．煤與瓦斯突出預(yù)測和防治［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：57-58．

Study on Danger Zone Compartment of Coal and Gas Outburst in Xinji No．2 Coal Mine

Dai Wei，Zhang Lei-lin，Shen Hong-min

Through measured the gas pressure of No．6 and No．13 coal seam in Xinji No．2 coal mine，the gas pressure distribution law of the coal seams was analyzed．And according to the gas pressure distribution law，the outburst dangerous zones were divided of No．6 and No．13 coal seam in level-600～-550 m．Combines with three indexes of the coal damage types，initial speed of methane diffusion and firmness coefficient of coal，the effect of the zone division about outburst dangerous was verified．The result shows that the single index method is consistent with the gas pressure distribution．

Gas pressure；Outburst dangerous zone；Zone compartment；Single index

TD713

B

1672-0652（2013）07-0042-05

2013-04-25

代 衛(wèi)（1988—），男，安徽淮北人，2010年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，工程師，主要從事礦井通風(fēng)防滅火和瓦斯防治的工作（E-mail）liusun2011＠163．com